[发明专利]一种基于半导体材料的辐射热流调控器件及其应用

说明书

本发明涉及一种基于半导体材料的辐射热流调控器件及其应用，其包含相对设置的第一辐射体和第二辐射体，所述第一辐射体设有半导体材料层，所述半导体材料层含有本征半导体材料和载流子掺杂浓度小于10¹⁶cm^‑3的掺杂半导体材料中的一种或两种；第一辐射体的设置方式为悬空设置，或者所述第一辐射体包括含金属材料层的第一基底。本发明的技术方案主要利用半导体材料内部载流子浓度随温度的变化而导致的局域电磁态密度的变化来实现辐射热流的大幅度调控。本发明提供的辐射热流调控器件可以通过改变触发机制或是与其他部件进行组合的方式来实现热二极管、热三极管、热开关等功能。

技术领域

本发明涉及热辐射技术领域，具体涉及一种基于半导体材料的辐射热流调控器件及其应用。

背景技术

热量传递是自然界中最基本的物理现象之一，其广泛存在于科学研究与生产生活之中。超过90％的全球能源生产均与热有关，因此，对热量传递过程的有效调控，对于开发新型热学器件、发展先进热管理技术、提高能源利用效率等诸多方面至关重要。人们的日常生活与热息息相关，从穿衣保暖、烧水做饭，到室内温控、车内空调，涵盖了衣、食、住、行各个方面。而热量传递的调控技术的不断发展，有望进一步改善人们的生活水平。

非线性电学元件可以实现对电流的灵活调控，是现代电子信息技术大厦的基石，也彻底改变了人们的生活。然而相比之下，热流的调控则显得困难得多，可灵活调控热流的非线性热学器件的研究尚未成熟，对热量传递机制的研究以及对热量传递过程的有效调控，对于热学领域的科学研究和技术应用具有重要意义。

热辐射是三种基本的热量输运机制之一，其本质是物体内部电荷随机热运动引发的电磁波，包含了传播波和倏逝波。根据这些电磁波的传播特性，可以分为传播模式、沮挫模式和表面模式的电磁波。其中，倏逝波的振幅随着离开物体表面的距离而呈指数衰减。而当辐射体之间的间距接近或小于热特征波长时，倏逝波开始逐渐参与甚至主导辐射换热，经典的热辐射定律被打破，这种现象叫做近场热辐射。

基于近场热辐射的热流调控器件往往有两端，即两侧的辐射体，热流以电磁波的形式在两个辐射体间进行传输。基于近场热辐射的热整流由于可以利用更丰富的电磁模式实现对热流的调控，有望实现较大的调控能力，在热二极管、热三极管、热开关等多种非线性热学器件中均受到了广泛的关注。

热二极管、热三极管和热开关等不同非线性热学器件背后所基于的物理机制比较相似，在近场热辐射中可以归纳为：通过热、光、电等不同触发机制，实现对近场热辐射中的不同电磁波的调控，从而达到改变辐射热流大小的目的。以热二极管为例——基于热整流效应的热二极管是一种非常典型的热流调控方式，在同样的温差下，热整流器件中的热流大小与温度的偏置方向有关。当温度方向发生改变时，介电常数的改变将导致辐射热流产生差异从而形成热整流。热整流的核心性能参数是整流比，其定义为正反向热流之差与较小的反向热流的比值。

综上，为了更好地实现热量运输过程中的调控，本领域技术人员希望开发一种新的技术方案，以有效提高近场辐射热流调控器件的热流调控能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于半导体材料的辐射热流调控器件及其应用，该器件主要利用半导体材料内部载流子浓度随温度的变化而导致的局域电磁态密度的变化来实现辐射热流的大幅度调控。该辐射热流调控器件可以通过改变触发机制或是与其他部件进行组合的方式来实现热整流、热三极管、热开关等功能。

为此，第一方面，本发明提供一种基于半导体材料的辐射热流调控器件，其包含相对设置的第一辐射体和第二辐射体；

所述第一辐射体设有半导体材料层，所述半导体材料层含有本征半导体材料和载流子掺杂浓度小于10¹⁶cm^-3的掺杂半导体材料中的一种或两种；

所述第一辐射体按照如下(a)、(b)、(c)之一的方式设置：